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第八章舵机（steeringgear）一舵的作用原理和对舵机的要求二液压舵机的工作原理和基本组成三液压舵机的转舵机构四液压舵机的遥控系统五舵机液压系统实例六液压舵机的管理主要内容第一节舵的作用原理和对舵机的要求一、舵的作用：船舶的操纵性，是船舶的主要航行性能之一。舵是船舶操纵装置的一个重要部件。舵是一块平板或具有流线型截面的板，称为舵叶。装在船尾中纵剖面或对称于中纵剖面的位置上。它垂直地浸没在水中，并能绕舵轴转动。1-舵杆，2-舵叶，3-舵杆套筒，4、7、8-舵承，9—舵托8-1-1舵设备的组成和舵的类型舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用设备。可以想象，如果船没有舵，或舵失灵，就象汽车没有方向盘一样，将无法行驶）在大海里任凭风浪摆布。无主动航向的船不仅不能保证航行的安全，而且是不能到达目的港的。舵是舵手（驾驶人员）用来保持或改变船舶在水中运动方向的专用设备。舵有两大功能：一是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；二是改变船舶运动方向的能力，称回转性。通常把二者统称为船舶的操纵性。船舵主要由舵叶和舵杆组成（舵叶是产生水压力的部分，舵杆的作用是转动舵叶和保证舵叶具有足够的强度），舵的作用原理是当水流以某冲角冲至舵叶上时，便产生了流体动力，此作用力通过舵杆传递并船体上，从而迫使船舶转向，也就达到了调整航向的目的。舵从帆船时代的简单平板舵发展到今天的流线型舵，不断得到改进，现普通舵和特种舵已有十几种类型。近个时期，随着科学技术的发展，还出现了一些推进设备也兼有舵设备的功能。二.舵的分类：（一）按舵的支承情况来分1．多支承舵：船体尾柱连有三个以上的舵钮。2．半悬式舵：下支承的位置在舵的半高处。3．悬式舵：挂在舵杆上的。4．双支承舵：除了上支承儿还有一个安在舵根的下支承。（二）按舵杆轴线位置来分1．不平衡舵：舵叶位于舵杆轴线之后。2．半平衡舵：一般就是半悬式舵。3．平衡舵：舵杆轴线位于舵叶前缘后一定的距离。一般在舵叶前缘后的1／3处。（三）按舵剖面形状来分1）平板舵-仅用一块平板做成的最简单的舵；2）改良形平板舵-在平板舵上以木质板，其外形与流线型舵相似的舵；3）流线型舵-舵的翼剖面是机翼型的舵，如果带有固定舵柱的就称为固定舵柱型流线型舵；4）反应舵-是将流线型平衡舵以螺旋轴为界，按一定流程进行上下扭曲后的舵，据说这种舵可以提高推进效率4~6％左右。vFNFTFFLFDαF水作用力FN舵叶两侧水压力（舵压力）FT摩擦力｝FL升力FD阻力F水作用力｛8-1-2舵的作用原理和转舵扭矩压力中心ObCXx221AvCFLLρ221AvCFDDρFL升力FD阻力X—舵压力中心到舵导边的距离式中：CL，CD，Cx—升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶几何形状有关，由模型试验测定；ρ——水的密度；A——舵叶的单侧浸水面积；v——舵叶处的水流速度；b——舵叶平均宽度。假设在船舶重心上加一对大小等于F，方向相反的力F1、F2转舵效应；（1）偏转（2）横移（3）减速转船力矩横向推力阻力lAvClFXFXlFMLLCDCLS221sincosραααcos2FTαsin1FR式中：l——舵杆轴线至船舶重心的距离；Xc——舵压力中心至舵杆轴线的距离。ＣL升力系数ＣD阻力系数ＣX压力中心系数1.转船力矩随舵角而变化；2.转船力矩有最大值Mmax；3.海船的转船力矩最大值出现在30°～35°之间；内河船的转船力矩最大值出现在35°～45°之间。1.转船力矩MS水作用力F对船舶重心所产生的力矩；2.舵的水动力矩Ma舵压力FN对舵柱轴线所产生的力矩；3.磨擦力矩Mf舵柱支承处总摩擦力矩；4.转舵力矩M操舵装置对舵杆施加的力矩：M=Ma+Mf；5.公称转舵扭矩在规定的最大舵角时所能输出的的最大扭矩。各项力矩的定义(1)水动力矩与舵叶的面积A和舵叶处水流速度的平方成正比，并随舵角α的增大而增大。(2)不同类型的舵因平衡系数（舵杆轴线之前的舵叶面积A’与整个舵叶面积A之比，称为平衡系数）不同，舵叶的最大水动力矩也不同，即舵机所需的公称转舵扭矩不同。(3)船舶倒航时，由于舵叶后缘变成了导边，压力中心离开舵杆轴线的距离因而增大，致使舵压力的力臂大大增加，故在其它条件相同时，同一舵角下倒航时的水动力矩就会超过正航时的水动力矩。转船力矩水动力矩分析对舵机的要求舵机是保持或改变船舶航向，保证安全航行的重要设备，一旦失灵，船即会失去控制，甚至事故。因此，我国《钢质海船人级与建造规范》(1996)根据《国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)的规定，对舵机的基本技术要求是：(1)必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置；或主操舵装置有两套以上的动力设备。当其中之一失效时，另一套应能迅速投入工作。主操舵装置应具有足够的强度并能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自任何一舷35°转至另一舷的35°，并且于相同的条件下，自一舷的35°转至另一舷的30°所需的时间不超过28s。此外，在船以最大速度后退时应不致损坏。辅操舵装置应具有足够的强度，且能在船舶处于最深航海吃水，并以最大营运航速的一半但不小于7kn前进时，能在不超过60s内将舵自任一舷的15°转至另一舷的15°。(2)主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器；当主操舵装置设置两台动力设备时，应设有两套独立的控制系统，且均能在驾驶室控制。但如果采用液压遥控系统，除1万Gt以上的油轮(包括化学品船、液化气船，下同)外，不必设置第二套独立的控制系统。(3)对舵柄处舵杆直径大于230mm(不包括航行冰区加强)的船应设有能在45s内向操舵装置提供的替代动力源。这种动力源应为应急电源位于舵机室内的独立动力源，其容量至少应能向符合辅操舵装置要求的一台动力设备及其控制系统和舵角指示器提供足够的能源。此独立动力源只准专用于上述目的。对1万Gt以上的船舶，它应至少可供工作30min，对其它船舶为10min。(4)操舵装置应设有有效的舵角限位器。以动力转舵的操舵装置，应装设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住。(5)对1万Gt以上的油船、化学品船、液化气体运输船尚有如下一些附加要求：当发生单项故障(舵柄、舵扇损坏或转舵机构卡住除外)而丧失操舵能力时，应能在45s内重新获得操舵能力。舵机可由两个均能满足主操舵装置要求的独立的动力转舵系统组成；或至少有两个相同的动力转舵系统，在正常运行时同时能满足主操舵装置要求，其中任一系统中液压流体丧失时应能被发现，有缺陷的系统应能自动隔离，使其余动力转舵系统安全运行。有的转舵机构虽不能分隔成两部分，但如经过严格的应力分析(包括疲劳和断裂分析)、密封设计、材料选用和试验，则也可允许用于1万Gt以上、10万Gt以下的油船、化学品船、液化气体运输船。在这种情况下，只对管系或动力设备而不对转舵机构提出下列要求：即当发生单一故障时应能在45s内恢复操舵能力。6)能被隔断的、由于动力源或外力作用能产生压力的液压系统任何部分均应设置安全阀。安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压力；安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量的110％，在此情况下，压力的升高不应超过开启压力的10％，且不应超过设计压力值。第二节液压舵机的工作原理和基本组成基本组成：1.远操机构（转递操舵信号）2.舵机（提供转舵动力）3.转舵机构（对舵柱产生转舵力矩）4.舵叶（产生转船力矩）分类：1.按远操机构分机械、电力、液压2.按舵机能源分人力、气动、电动、液压｛3.按转舵机构分往复、转叶变向变量泵式（变向泵式）定向定量泵式（换向阀式）液压舵机组成框图变向泵式换向阀式反馈机构发送器受动器变向变量泵转舵机构舵叶远操机构操纵阀三位四通阀控制油缸式换向阀手、液动转舵机构舵叶副油泵主油泵一、泵控型液压舵机受动器反馈机构变向泵转舵机构舵杆储能弹簧防浪阀舵机油泵工作油压取决于推动撞杆所需的力(转舵扭矩)舵机最大工作压力(pmax)是产生公称转舵扭矩时油泵出口油压；舵机油泵的额定排出压力不得低于舵机的pmax；pmax选得越高，转舵机构的主要尺寸就越小。转舵速度主要取决于油泵的流量，而与舵杆上的扭矩负荷基本无关；进出港和窄水道航行时，用双泵并联，转舵速度几乎可提高一倍。泵控式液压舵机多采用浮动杆式追随机构追随机构：机械杠杆式三点式、五点式（带副杠杆式）电子反馈式1.三点式追随机构A操纵点Ｂ追随点Ｃ控泵点ABCBCC'AA'AA'BB'11CC'AA'BB'21储能弹簧ＡＡ’一次性位移不能太大，受ＣＣ’最大可位移量确定，否则会损坏控制处的机件。用储能弹簧克服该缺点。储能弹簧是个可以双向压缩的弹簧。CC'AA'BB'212.五点式（带副杠杆式）ABCDEBCDEAA'AA'BCDEC'C'有位移放大作用，操小舵角时使控制点Ｃ有较大的位移，使变量泵有较大的排量，使得转舵速度快。储能弹簧的刚度必须适当若弹簧太软，则可能使B点先于C点而移动，操舵就无法进行；如弹簧太强，则大舵角操舵所需操舵力太大，甚至使储能弹簧不起作用。防浪阀为防海浪等冲击舵叶时，造成舵杆负荷过大、系统油压过高和使电机过载，在油路系统中装设了安全阀(亦称防浪阀)。当舵叶受到冲击以致任一侧管路的油压超过安全阀的整定压力时，安全阀开启，油泵两侧管路旁通，舵叶会偏离所在位置，带动B点，使C点离开中位，油泵因而排油；当冲击负荷消失后，安全阀关闭，舵叶在油泵的作用下，返回，B点回位。8-2-2阀控制液压舵机用单向定量油泵，其吸排方向不变，油液进出转舵油缸的方向由驾驶台遥控的换向阀来控制。油泵和系统比较简单，造价相对较低缺点:换向阀换向，液压冲击较大，可靠性也相对较差；阀控型舵机在停止转舵时，泵以最大流量排油，油液发热较多，经济性差；阀控型舵机适用功率范围比泵控型小。将油泵供给的液压能变为转动舵杆的机械能，以推动舵叶偏转。根据动作方式不同，可分两大类：往复式转叶式转舵机构滑式转舵机构回转式滚轮式转舵机构摆缸式转舵机构第三节液压舵机的转舵机构8-3-1往复式转舵机构1.滑式转舵机构可分为十字头式和拨叉式1）十字头式转舵机构结构与工作原理：转舵油缸1十字形滑动接头两撞杆3的叉形端部用螺栓连接，形成两轴承，两轴承环抱着十字头两耳轴7；舵柄8横插在十字头轴承6中。行程限制器11撞杆极限行程由行程限制器1l限制；在舵角超过最大舵角1.5°时限止撞杆；在导板一侧还设有机械式舵角指示器5，用以指示撞杆对应舵角。放气阀12以便驱放油缸中空气。导板10上接滑块9，承受侧推力。滑式转舵机构的受力分析当舵转至任意舵角α时，为克服水动力矩所造成的力Q’(与舵柄方向垂直)，在十字头上将受到撞杆两端油压差的作用力P和导板产生的反作用力N，以使P和N的合力Q恰与力Q’方向相反，从而产生转舵扭矩以克服水动力矩和摩擦扭矩。转舵力矩上式表明：在撞杆直径D、舵柄最小工作长度R和撞杆两侧油压差P既定的情况下，转舵扭矩M随舵角α的增大而增大。这种扭矩特性与舵的水动力矩的变化趋势相适应。当公称转舵扭矩既定时，滑式转舵机构尺寸或最大工作油压较其它转舵机构要小。实际工作油压随实际需要的转舵扭矩而变。22cos4coscosmmmDzpRRPzzQRM十字头式转舵机构特点(1)扭矩特性良好。承载能力较大；能平衡撞杆所受的侧推力，用于转舵扭矩很大的场合。(2)撞杆和油缸间的密封大都采用V型密封圈。密封圈由夹有织物的橡胶制成；安装时开口应面向压力油腔(P越高，密封圈撑开越大)；密封可靠，磨损后具有自动补偿能力；密封泄漏时较易发现，更换也较方便。(3)油缸内壁除靠近密封端的一小段外，不与撞杆接触，故可不经加工或仅作粗略加工。(4)油缸为单作用，必须成对工作，故尺寸、重量大。(5)安装、检修比较麻烦。必须成对工作，故尺寸、重量较大；撞杆中心线垂直于船舶首尾线方向，舵机室需要较大的宽度。2）拨叉式转舵机构它使用整根撞杆，撞杆中部有圆柱销，销外套有方形滑块，撞杆移动时，滑块一面绕圆柱销转动，一面